通信技术

5G若干关键技术评述

张平，陶运铮，张治

摘要：目的：第5代移动通信网络（5G）目前得到了全球企业、研究院所和高校的广泛关注和大量研究。详细介绍和总结目前5G研究的发展历程和国内外研究进展，分析基于虚拟化的5G网络架构。从无线传输、无线接入、网络3个角度，深入全面地介绍5G潜在的关键技术及最新进展，包括大规模多天线、全双工、信道建模与信道编码、多址接入等，分析其中一些关键技术的优缺点及未来可研究方向。最后，展望5G未来发展的重点任务及主要方向。方法：首先介绍分析基于虚拟化的异构网络架构；然后详细介绍了目前5G关键技术的研究进展，着重从无线传输技术、无线接入技术和网络技术3个角度展开，同时分析了这些技术的特点及优缺点；最后，对未来5G标准化工作和重点任务做出展望。结果：（1）5G网络架构将是一个融合多类现有或未来的无线接入传输技术和功能的异构网络架构。一方面通过引入软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）等技术，实现控制功能和转发功能的分离，另一方面，进一步增强核心网和接入网的功能，更高效地实现对差异化业务的按需编排。（2）无线传输技术中，大规模多天线技术是一种能够同时大大提升系统容量和峰值速率、减少能量消耗和传输时延的潜在关键技术之一，不过目前仍面临一系列系统设计和工程实现的挑战。信道建模技术随着5G技术的研究呈现出了一些新特性：如空间连续性与移动性，大规模多天线阵列的信道特性以及高频段通信的信道特性等。基于近期的3GPP标准，5G信道编码技术定为低密度奇偶校验码（LDPC）和极化码（Polar）。LDPC码具有较高的编译码复杂度和较高的频谱利用率，而 Polar码则具有较低的编译码复杂度但频谱利用率不如 LDPC码，5G正好利用了这两种编码技术在不同码长时各自的优势；全双工技术被认为能够理论上比传统TDD或FDD模式提高1倍的频谱效率，同时还能有效降低端到端的传输时延。不过目前的研究仅仅只是起步阶段，未来还需要更加全面地思考包括系统设计、物理层协议、与其他技术结合等挑战。（3）无线接入技术中，对多个新型的多址接入技术如SCMA、NOMA、PDMA、MUSA等进行了介绍和分析，这些技术都能理论上有效地提升系统容量，同时也各自存在一些问题亟待解决。动态 TDD技术一般应用于小覆盖的小区中，未来超密集小小区组网将成为5G的基本组网方式，因此动态 TDD干扰消除是目前的研究热点，解决方案主要有4种：小区分簇干扰缓解（CCIM）、eICIC/FeICIC、功率控制、利用MIMO技术等。（4）网络技术中，介绍了云接入架构技术（C-RAN），C-RAN在理论上能够显著提升系统容量，减少网络拥塞，降低端到端时延，集中式控制RRH及协作；D2D技术也是适应未来5G场景需求的关键技术之一，能够潜在减轻基站压力，提升网络系统性能，降低端到端时延及提高频谱效率。结论：详细介绍和总结了5G的发展历程和国内外研究进展，分析了基于虚拟化的5G蜂窝网络架构。从无线传输、无线接入、网络这3个角度，深入全面地介绍了5G潜在的关键技术及最新进展，分析了一些关键技术的优缺点及未来可研究方向。未来的5G网络将更加开放、智能、灵活。为了满足移动通信的发展及需求，5G预计在2020年成为主要的移动通信系统。相比现今广为流行的4G移动通信，5G在资源利用率、传输速率以及频谱利用率等各方面都有明显优势，而且在用户体验、传输时延、无线网络的覆盖性能等方面也会得到大幅度的提高。总体来说，目前，5G的研究处于关键发展阶段，各技术研究进展迅速，而未来围绕用户需求、规模性、成本能耗等因素进行的标准化和技术评估等，仍有大量工作亟待完成。

来源出版物：通信学报, 2016, 37(7): 15-29

入选年份：2016